关于光伏发电站容配比计算方法及设计建议

关于光伏发电站容配比计算方法及设计建议

陈运坤  王华帅

中国广核新能源控股有限公司

摘要：随着新能源行业的快速发展，如何降低项目的工程造价和度电成本，提高企业的竞争力是各个企业面临的主要问题。作为新能源发电两大支柱之一的光伏发电项目，由于受到关键设备组件功率提升较慢的制约，如何从技术上降低成本受关注度较小，同时作为一个降低度电成本重要手段之一的容配比设计，不了解或理解错误的从业人员也比较多。本文针对上述情况，对光伏电站容配比概念进行分析，并提出了最优容配比的计算方法和不同项目建设条件下容配比如何设计和选择，希望能为本行业技术人员提供借鉴和指导。

关键词：光伏发电站  光伏发电单元  容配比 度电成本 建设条件

0.引言：

保护与改善人类赖以生存的环境，实现可持续发展，是世界各国人民的共同愿望。我国政府已把可持续发展作为经济社会发展的基本战略，并采取了一系列重大举措，合理开发和节约使用自然资源，改进资源利用方式，调整资源结构配置，提高资源利用率。作为可再生能源发电的主要方向之一，太阳能发电尤其是光伏发电，由于其技术含量相对较低、投资额度和建设地点比较灵活、建设周期短，发展比较迅速。随着光伏行业的发展，在土地资源和电网资源有限的情况下，行业内的竞争也越来越激烈。2020年，国家发展改革委印发《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》提出：对集中式光伏发电继续制定指导价，新增集中式光伏电站上网电价原则上通过市场竞争方式确定，不得超过所在资源区指导价。在平价上网甚至低于地方指导电价的情况下，如何降低光伏电站的单位造价，进一步降低光伏发电的度电成本，提高企业的竞争力，已经成为光伏发电投资企业面临的主要问题。根据作者多年从业经验，容配比设计是影响度电成本重要因素之一。如何结合项目实际情况进行容配比设计，确定最优容配比是每个光伏项目都要考虑的问题。下面作者结合本人工作经历来谈一下容配比设计相关问题，希望对行业同仁有借鉴和参考意义。

1.光伏发电站容配比概念及提高容配比设计意义

1.1 光伏发电站容配比概念释义

对于光伏电站容配比定义，目前行业内有不同的理解，因为涉及到后续容配比的计算和光伏电站最优容配比如何确定，下面我们先对容配比定义进行分析。国家能源局2019年6月份发布的能源行业标准NB/T 10128《光伏发电工程电气设计规范》容配比定义如下：连接至逆变器的在光伏组件在标准测试条件下峰值功率之和与逆变器额定输出功率的比值；之后2020年10月23日发布的NB/T 10394-2020《光伏发电系统效能规范》提出了额定容量（即光伏发电系统中安装的逆变器有功功率之和）和安装容量（即光伏系统中安装的光伏组件标称功率之和）的概念，并将容配比定义为光伏系统的安装容量与额定容量之比。因为最优容配比在行业标准中没有明确定义，这里我们将最优容配比理解为光伏发电系统平准化度电成本最低的容配比比值。在笔者这几年接触的项目中，有的设计院按照单个逆变器进行最优容配比比选，有的设计院按照光伏发电单元进行最优容配比比选，有的设计院按照整个光伏发电站进行最优容配比比选，正是因为他们对容配比概念的理解不同。考虑到逆变器的主动弃光因素，如果按照单元方阵或者整个光伏系统增加容配比的话，会出现每个逆变器由于组串接入不均导致容配比不同的情况，这样分析出来的限电损失误差较大。综上，笔者认为容配比应定义为连接至单个逆变器的组件峰值功率之和与逆变器额定功率比值较为适合。

1.2 选择光伏发电站最优容配比设计意义

选择光伏电站的最优容配比，对于光伏电站本身来说可以提高逆变器和箱变等设备利用率，降低平准化度电成本；对外部电网来说可以在某段时间内保持稳定、持续的电力输出，减少电网的波动。为了便于理解，下面我们举例说明。如图1所示，该图为早期建设的光伏电站功率曲线，该电站装机容量为20MWp，容配比按照1:1设计，上下两条曲线分别为当天光伏发电功率预测的上限和下限，中间曲线为当天光伏电站实际出力情况，从功率曲线可以看出，从早上7:30开始发电到下午19:00发电结束，光伏电站出力波动一直比较大，逆变器多数时间也处于欠发情况。如图2所示，该图为近期建设的光伏电站其中1个光伏发电单元的功率情况，该方阵采用3.3MVA箱变，11台300kW的组串式逆变器，容配比按照最优1.25：1设计，从上面数第4条实际功率曲线可以看出，上午9:30到下午16:30，该单元发电功率一直在3.3MW左右，出力比较稳定，逆变器大部分时间处于满发状态。

图1 常规光伏电站发电功率曲线

图2 采用最优容配比光伏发电单元功率曲线

2.光伏发电站容配比设计原则及算法

2.1 光伏发电站容配比设计比选原则

首先我们来看下平准化度电成本即度电成本的定义，按照NB/T 10394-2020《光伏发电系统效能规范》规定，平准化度电成本定义如下：光伏发电系统在评价周期内发生的所有成本与全部可上网电量的折现比值，单位为元每千瓦时，用LCOE表示。根据度电成本的定义可以看出，计算度电成本时需要考虑的因素比较多，除项目的建设投资外，还要考虑项目的运维人员配置、项目用地租金、运维检修成本等等。因为除了项目建设投资可以用方案优化控制外，其他方面都是不可控因素，所以我们在做容配比设计时，一般都是忽略其他因素，按照静态投资来计算度电成本，在这里暂定义为初始投资度电成本。根据笔者这几年的工作经验来看，按照静态投资计算初始投资度电成本，和考虑所有因素计算平准化度电成本趋势基本保持一致。

2.2光伏电站容配比设计计算方法分析

目前各个设计院在计算容配比时，采用的有项目整体增加容配比、1MW标准方阵增加容配比、单个逆变器增加容配比、1个光伏发电单元增加容配比四种算法。下面我们逐一分析各种计算方法及其需要关注的问题。

首先我们来看第一种计算方法：按照项目整体容量计算容配比。目前我国首个正式下发的、全面放开容配比的规范，就是NB/T 10394-2020《光伏发电系统效能规范》，这也是现今光伏行业中唯一对容配比优化计算提出指导意见的规范，计算方法详见附录B典型地区光伏发电系统容配比优化计算案例。因为有规范作为依据，大多数设计院是参考该典型算例进行最优容配比计算的。例如华中某项目，该项目采用单晶双面545Wp组件，196kW组串式逆变器，每26块组件为1串，结合地方光资源条件，在容配比1.2~1.4之间，步长为0.05进行度电成本比较结果如下表，并得出本项目最优容配比为1.3的结论。

表1  按照项目整体容量计算容配比造价及度电成本一览表

下面我们对计算结果进行分析。按照逆变器每增加1串组件的步长是0.545×26÷196=0.073，可以看出设计人员是以项目安装容量的0.05倍增加项目投资和发电量，得出最优容配比为1.3的结论。分析此种算法，因为不是按照逆变器串数增加容配比，这就导致后期在项目实施工程中，每个逆变器的容配比不一样，主动弃光情况也不一样，发电量计算误差比较大；另外也可以看出计算时工程造价也是按固定值增加，不能如实反映工程造价变动情况。

第二种容配比计算方法是以1MW标准光伏方阵为起点，以逆变器增加1串组件为步长测算容配比，确定项目的最优容配比方案。例如华北某项目，该项目采用单晶双面550Wp组件，320kW组串式逆变器，每26块组件为1串，结合地方光资源条件，以1MW为标准发电单元，按照0.1的步长进行比选，每个步长逆变器增加6~7串组件，计算结果如下。

表2  1MW标准光伏方阵不同容配比造价、发电量及度电成本对比表

按照这一种算法，逆变器组串按照标准方阵增加，工程量也是通过绘图测量所得，相对来说造价比较准确，误差较小。由于现在光伏方阵基本采用3.15MVA或者3.3MVA的箱变，所以按照1MW方阵作为标准方阵计算容配比，电缆工程量还是有一定误差。另外这种计算方法，三个逆变器按照7串组件增加，还是有1台逆变器限电损失较大，不能准确的测算标准发电单元的发电量。

第三种容配比算法是以单个逆变器增加组串进行容配比设计。例如华中某项目，同样采用单晶双面550Wp组件，320kW组串式逆变器，每26块组件为1串，每2个组串为步长往上增加，结合地方光资源条件，计算该项目光伏区度电成本如下所示。

表3 单个逆变器不同容配比发电情况及度电成本对比表

单个逆变器算法，其优点是限电损失比较准确，也方便容配比比选。但计算时仅考虑增加1X4电缆和组件等对造价的影响，对于逆变器到箱变电缆的长度只能预估，所以对造价评估不准确，得出的结果也存在一定误差。

下面我们介绍第四种容配比计算方法，这也是本人在设计评审中推荐的算法，即根据项目情况，以1个光伏发电单元为基础进行容配比的比选，再按照项目整体投资进行校核。如果项目地势较为平整规则，可以按照标准单元方阵进行容配比计算；如果是山地光伏或者地块较多，地形不规整，可以采用典型发电单元方阵（即项目中类似阵列排布比较多的方阵）的造价计算度电成本。计算时组串应按照每个逆变器增加1串或2串来测算容配比，每个逆变器接入的组串数应相同，这样可以提高主动弃光损失的准确性。另外由于国内各地都有光伏电站建设，我们可以结合《光伏发电系统效能规范》附录B.4典型地区算例结果参考，以及该地区其他光伏电站容配比设计和运行情况，选取5~6个容配比值进行计算，而不是从容配比1.0或1.1开始。例如西北某项目，地势平坦，该项目采用单晶双面550Wp组件，300kW组串式逆变器，每26块组件为1串，采用3300kVA箱变，结合地方光资源条件，以3.3MW标准发电单元为起点，按照每个步长逆变器增加1串组件即整个发电单元增加11串组件计算，计算结果如下。

表4  3.3MW标准发电单元方阵不同容配比造价、发电量及度电成本对比表

按照这一种算法，因为光伏区外其他工程量基本保持不变，规则地形的光伏项目可以通过标准单元方阵、不规则地形可以通过典型单元方阵来预估整个光伏区的工程量，工程量的误差比较小；每个逆变器都是按照相同的组件串数接入，主动弃光和发电量计算也是比较准确，基本没有误差。另外可以在单元方阵最优容配比附近选3个方案，再加上其他部分工程造价、土地租赁等各种因素校核整个项目的最优容配比，算出整个项目的最小度电成本。

综上，通过以上4种容配比计算方法分析，第四种计算方法采用以光伏发电单元为基准，每个逆变器逐渐增加组串的方法得出的度电成本误差较小，所以作者在项目审查中，一直都是向设计院推荐第四种算法。

3.不同建设条件下项目容配比设计建议

国家能源局2022年11月30日下发的《光伏电站开发建设管理办法》，其中第14条规定光伏电站项目备案容量原则上为交流侧容量。但在项目实施过程中，不少省份备案容量还是按照直流侧计算，有的省份甚至按照箱变容量来计算备案容量，还有的省份对光伏电站的容配比有明确要求。面对这种复杂的情况，作者根据这几年的工作经验和遇到的不同光伏电站项目情况，对项目的各种类型进行了汇总和分析，提供建议如下。

（1）备案容量为额定容量，用地不限。

即备案容量为交流侧容量，可按照备案容量配置逆变器和箱变，按照最优容配比配置组件。

（2）备案容量为额定容量，用地受限。

这种特殊情况在项目实施中遇到的比较多，可按照用地范围配置组件，按照最优优容配比配置逆变器和箱变。例如某项目备案容量100MW，项目用地满足安装容量为120MWp，最优容配比为1.5，逆变器和箱变按照80MW考虑。

（3）备案容量为额定容量，用地受限，交流装机要求与备案容量一致。

一般为地方电网的特殊要求，可按照备案容量配置逆变器和箱变，在用地范围内按照最大容配比配置组件。例如某项目备案容量100MW，用地范围仅满足安装容量为120MWp，最优容配比为1.5，逆变器和箱变按照100MW考虑，容配比按照1.2设计。

（4）备案容量为安装容量。

即备案容量为直流侧容量，应按照备案容量配置组件，按照最优容配比配置逆变器和箱变。例如某项目备案容量为100MW，最优容配比为1.25，则交流配置容量为80MW。

（5）备案容量为安装容量，交流装机要求与备案容量一致。

这种情况比较少见，主要是某些市级电网公司对于分布式光伏项目的要求，按照备案容量配置组件、逆变器、箱变。

（6）有容配比设计限制的地区。

个别地方对于容配比有一定的要求，作为电站建设方，需要按照地方要求进行容配比设计。容配比设计要求为定值的地区，项目容配比按照要求定值设计；容配比设计要求有定值有区间的地区，建议按照定值区间内最优容配比方案设计。

4.结语

（1）光伏发电站进行最优容配比设计时，应以一个交流发电单元方阵为基础，按照单元方阵内每个逆变器增加相同组件串的容配比方案进行度电成本的比较，选择度电成本最低设计方案。

（2）对光伏发电站容配比有特殊要求的个别地区，容配比按照地方要求进行设计，没有要求的应按光伏发电站最优容配比设计。

参考资料：

[1] GB-50797-2012《光伏发电站设计规范》

[2] NB/T 10128-2020《光伏发电工程电气设计规范》

[3] NB/T 10394-2020《光伏发电系统效能规范》

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